Über freie Quarks und Confinement

Ein freies Quark ist wie das freie Ende eines Gummibandes. Wenn Sie die Enden eines Gummibandes frei machen möchten, müssen Sie sie auseinander ziehen, aber je weiter Sie sie auseinander ziehen, desto mehr Energie müssen Sie aufwenden. Wenn Sie die Enden des Gummibands wirklich frei machen möchten, müssen Sie Wir müssten die Trennung zwischen ihnen unendlich machen, und das würde unendliche Energie erfordern. Was tatsächlich passiert, ist, dass das Gummiband reißt und Sie vier Enden anstelle der zwei bekommen, mit denen Sie begonnen haben.

Wenn Sie zwei Quarks nehmen und versuchen, sie auseinander zu ziehen, ist die Kraft zwischen ihnen in ähnlicher Weise ungefähr unabhängig von der Entfernung. Sie also bis ins Unendliche auseinander zu ziehen, würde unendlich viel Energie erfordern. Was tatsächlich passiert, ist, dass in einiger Entfernung die im Feld zwischen ihnen gespeicherte Energie hoch genug wird, um mehr Quarks zu erzeugen, und anstelle von zwei getrennten Quarks erhält man zwei Quarkpaare.

Das passiert nicht, wenn man ein Proton und ein Elektron auseinanderzieht, weil die Kraft zwischen ihnen nach dem umgekehrten Quadratgesetz fällt. Der Unterschied zwischen dem Elektron/Proton-Paar und einem Paar Quarks besteht darin, dass die Kraft zwischen den Quarks nicht nach dem Gesetz des umgekehrten Quadrats abfällt. Stattdessen wird es bei ausreichend großen Entfernungen ungefähr konstant.

Ich glaube nicht, dass dies vollständig verstanden ist (es wird von mir sicherlich nicht vollständig verstanden :-), aber es wird angenommen, dass dies daran liegt, dass die Kraftlinien im Quark-Quark-Feld virtuelle Gluonen darstellen und Gluonen sich gegenseitig anziehen. Das heißt, die Kraftlinien bündeln sich zu einem Flussrohr . Im Gegensatz dazu wird die Elektron-Proton-Kraft von virtuellen Photonen übertragen und Photonen ziehen sich nicht an.

Schließlich werden Top-Quarks normalerweise als Top-Anti-Top-Paar produziert. Es ist möglich, ein einzelnes Top-Quark zu erzeugen , aber es wird immer mit einem Quark eines anderen Typs gepaart, sodass Sie kein freies Quark erzeugen.

Die Antwort von John Rennie ist gut, nur ein paar Worte zum Hinzufügen von „einzelnen Top-Quarks“. Das mentale Bild von Gummibändern funktioniert gut bei niedrigen Energien. Vielleicht haben Sie schon von Mesonen oder Baryonen oder einfach Teilchen wie dem Pion gehört. Das sind „gebundene Zustände von Quarks“, dh was passiert, wenn man das Gummiband zerreißt und ein neues Paar Quarks erzeugt. Dann bilden ein Quark + Antiquark zusammen ein Paar.

An Beschleunigern geht man über diese Beschreibung hinaus: Kollisionsenergien an modernen Beschleunigern wie dem LHC sind (ungefähr) 100-1000 Mal höher als die Energie, die Quarks aneinander bindet. Mitten in einer Kollision können Sie also Gummibänder vergessen und sich vorstellen, dass sich Quarks wie einzelne Elektronen verhalten. Aber dann verlieren Quarks Energie (zum Beispiel durch Strahlung), so dass sie unweigerlich in die Phase gehen, in der sie gebundene Zustände bilden, und Sie sind wieder bei der Gummiband-Beschreibung. Dieser Vorgang wird als Hadronisierung bezeichnet.

Abschließend noch ein Wort zu „Color Confinement“ (der Begriff wird verwendet, um zu erklären, warum freie Quarks nicht existieren). Jedes Quark oder Gluon hat eine „Farbladung“ (die nur eine Quantenzahl ist). Um ein farbneutrales Objekt zu erhalten, benötigt man mindestens zwei Quarks in einem gebundenen Zustand, es können aber auch mehr sein. (Das ist nur$SU(3)$Gruppentheorie.) Wenn Sie also davon ausgehen , dass alle physikalischen (asymptotischen) Zustände keine Nettofarbladung haben müssen, dann können Sie erklären, warum es keine freien Quarks gibt. Aber obwohl diese Hypothese experimentell wahr ist, gibt es keinen mathematischen Grund dafür.

Wie J. Rennie betont, ist nichts davon vollständig verstanden, und eine vollständige mathematische Beschreibung des Einschlusses wäre der größte Durchbruch in der Quantentheorie seit Jahrzehnten.